Lämpöenergialla jatkuvasti toimivat DNA-molekyylikoneet

Caltechin biotekniikan professorin Lulu Qianin laboratorion tutkijat kehittävät synteettisestä DNA:sta valmistettuja nanomittakaavan koneita hyödyntäen DNA:n ainutlaatuisia kemiallisia sidosominaisuuksia rakentaakseen piirejä, jotka pystyvät käsittelemään signaaleja paljolti kuin miniatyyritietokoneet.

Tällaiset molekyylikoneet voidaan suunnitella muodostamaan DNA-robotteja, jotka lajittelevat lasteja tai toimimaan kuten neuroverkko. Yksi suuri haaste on kuitenkin edelleen: miten ne suunnitellaan ja käytetään useissa käyttötarkoituksissa.

Nyt Qian ja postdoc-tutkija Tianqi Song ovat kehittäneet menetelmän, jossa DNA-piirien käyttövoimaksi otetaan lämpö. Heidän järjestelmänsä nollautuu lämmetessään, mikä luo uudelleenkäytettävän, ladattavan järjestelmän, joka voidaan suunnitella erilaisiin laskelmiin.

"Toisin kuin erityiset polttoaineet, lämpöä on kaikkialla ja se on helposti saatavilla", Qian sanoo. "Oikealla suunnittelulla se voi ladata molekyylikoneita uudelleen ja uudelleen, jolloin ne voivat ylläpitää aktiivisuuttaan ja pysyä vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Ja toisin kuin kemialliset akut, tämä lataus ei jätä käytännössä lainkaan jätettä – vain itse tulosignaalien jäänteet, jotka luonnollisessa ympäristössä yksinkertaisesti kierrätettäisiin ajan myötä."

Lämpölatausmenetelmä perustuu ilmiöön, jota kutsutaan kineettiseksi ansaksi. Puristetut jouset ovat klassinen esimerkki kineettisestä ansasta. Samalla tavalla tiimin järjestelmän muodostavat DNA-molekyylit on suunniteltu sitoutumaan toisiinsa siten, että niiden lämmittäminen varastoi energiaa itse molekyylisidoksiin.

Näiden kahden idean – kineettisten loukkujen energiavarastot ja lämpö nollauspainikkeena – pohjalta tiimi tutki, voisiko lämpöä käyttää yleismaailmallisena teholähteenä monimutkaisille molekyylipiireille. Kaksikko osoitti, että tällaista ladattavaa menetelmää voidaan soveltaa hyvin erilaisten järjestelmätoimintojen tehonsyöttöön; tässä tapauksessa neuroverkkona ja logiikkapiirinä. Nämä kaksi järjestelmää ovat klassisen laskennan arkkityyppejä.

On tärkeää huomata, että kineettisten loukkujen uudelleenkäytettävyyden ajatus ei rajoitu lämpöön. "Periaatteessa mikä tahansa energianlähde – valo, suola tai happogradientit, kuten solukalvojen ylittävät – voisi toimia samalla tavalla, kunhan se pystyy rikkomaan molekyylien väliset heikot sidokset ja antamaan niiden luonnollisesti pudota takaisin loukkuihinsa", Qian sanoo.

"Tällaisen kestävän laskennan avulla voimme alkaa suunnitella molekyylijärjestelmiä, jotka eivät suorita tehtävää vain kerran, vaan voivat osoittaa pitkän aikavälin käyttäytymistä, joka muistuttaa enemmän elävien järjestelmien käyttäytymistä – kuten oppimista ja evoluutiota."

”Pitkällä aikavälillä tällaiset jatkuvasti toimivat molekyylikoneet – erityisesti sellaiset, joilla on itseohjautuva oppiminen ja kehittyvät kyvyt – voisivat ’elää’ arkipäiväisten materiaalien sisällä”, hän lisää. ”Kuvittele kerran lentokoneeseen levitetty pinnoite, joka jatkuvasti aistii rasitusta ja korjaa halkeamia pitääkseen matkustajat turvassa vuodesta toiseen. Tai jopa kerran otettava älykäs lääke, joka oppii jatkuvasti taistelemaan uusia sairauksia vastaan koko elämän ajan.

Se, mikä nyt tuntuu pelkkänä mielikuvituksena, voisi muuttua todellisuudeksi, jos muut rakentavat konseptitodistuksemme pohjalle ja vievät työtä eteenpäin tulevina vuosikymmeninä.”

Aiheesta aiemmin:

DNA irroittaa elektroniikan tasopinnoilta

DNA ohjaa kokoamaan nanorobotiikan rakenteita

DNA laskee ja tallentaa